光通信中光收發(fā)模塊和數字可變電阻及其應用

本文介紹光通信網(wǎng)絡(luò )中光收發(fā)模塊和數字非易失可變電阻的技術(shù)與應用,并著(zhù)重分析新型數字非易失可變電阻DS1847/8在激光技術(shù)中對系統參數自動(dòng)調節的設計及應用。

光收發(fā)模塊伴隨光纖通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)展應運而生

近年來(lái)，從關(guān)于通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的信息中發(fā)現,它總是和越來(lái)越高的頻帶寬需求有關(guān)。事實(shí)上,這種情況還在繼續,即數量不斷增長(cháng)的電話(huà)、傳真、調制解調器和計算機,它們對帶寬的需求越來(lái)越高，以用來(lái)傳送太比特數字化信息(視頻、圖像、建模程序以及數據和語(yǔ)音等)。與此同時(shí)，那些快速成長(cháng)的高科技通信公司正在為滿(mǎn)足寬帶的需求而努力。在過(guò)去的十年，主要力量已經(jīng)投人到開(kāi)發(fā)光纖網(wǎng)絡(luò )中，在光網(wǎng)絡(luò )里，光波通過(guò)比頭發(fā)絲還要細的光纖，以千兆位/秒的速度傳輸信息。

仍處于發(fā)展中的通信網(wǎng)絡(luò )具有高度的復雜性。少數幾個(gè)大公司試圖主宰全球光網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)，在此背景下,則是多家公司所開(kāi)發(fā)的技術(shù)的融合,而每一種都包含了特殊的專(zhuān)門(mén)技術(shù)。DallasSemiconductor公司則屬于后者,即特殊的專(zhuān)門(mén)技術(shù)；它們已設計了一系列的可變電阻，尤其適合于光收發(fā)模塊?，F在,概述一下Dallas的可變電位器所應用于宏大的通信網(wǎng)絡(luò )方案，以便揭示出一些有關(guān)通信網(wǎng)絡(luò )工業(yè)的解決方案。值此應先對關(guān)于光收發(fā)模塊在技術(shù)、標準與應用方面作此分折。

概述光收發(fā)模塊

光收發(fā)模塊應用

當今,許多制造商都設計和生產(chǎn)光收發(fā)模塊。而光收發(fā)模塊的應用在下列幾個(gè)方面,即同步光纖網(wǎng)絡(luò )(SONET)和同步數字體系(SDH)、異步傳輸模式(ATM)、光纖分布數據接口(FDDI)、光纖通道、快速以太網(wǎng)和千兆位以太網(wǎng)等系統。這些系統的名稱(chēng)代表傳輸協(xié)議和標準的國際定義。另一方面，光收發(fā)模塊自身在早期開(kāi)發(fā)時(shí)并沒(méi)有規定標準的物理特性。

關(guān)于兼容性問(wèn)題

由于認識到產(chǎn)品想進(jìn)一步取得成功，就必須考慮兼容性的要求，在1998年，一些制造商聯(lián)合起來(lái)，制訂了一個(gè)收發(fā)模塊的多源協(xié)議(MSA)。該聯(lián)合體包括：AMP incorporated，Hewlett-Packard Company和Lucent Technologies Microelectronics Group等等公司。這些公司同意將模塊的尺寸減小一半(寬度減至0.535英寸)以及規定了一套模塊的封裝和引腳排列,它們能夠在大量的、用于高速光纖通道的RJ-45類(lèi)(包括雙工LC、MT-RJ和SC／DC)光連接器之間互換。

目前，一個(gè)新的協(xié)會(huì )正在起草一份新的光收發(fā)模塊多源協(xié)議(MSA)，代表了一個(gè)更大的制造商聯(lián)合體和新一代的模塊。這種多源制造商現在包括Agilent Technologies，Hitachi cabl，IBM，Molex等均15家著(zhù)名公司。模塊規范現在被稱(chēng)為小外型可插拔(SFP)并有望達到5.0Gb／s的傳輸速率。該規范反映了業(yè)界對于在更小體積、更高速度的熱插拔模塊內實(shí)現高密度信號傳送的追求。

光收發(fā)模塊概念

找到可變電阻(特殊專(zhuān)門(mén)技術(shù)的電位器)在光收發(fā)模塊技術(shù)中的位置，將有助于理解關(guān)于收發(fā)模塊的一些基礎知識。模塊先將輸入的光波轉變?yōu)殡娦盘?，同時(shí)將輸出的電信號轉變?yōu)?strong>光信號。而從根本上來(lái)講，光收發(fā)器模塊是基于半導體激光技術(shù)。模塊是一塊印刷電路板(PCB)，它具有一定帶寬的光源,其光源來(lái)自一個(gè)細小的半導體芯片,即一個(gè)發(fā)光二極管或激光二極管。而光源頻率在紅外譜近處，可調制以數十GHz信號，提供一個(gè)寬廣的帶寬。

光收發(fā)模塊的信號通道與設計

模塊接收端的接收口接至輸人光纖，光電檢測二極管將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，接?zhù)被放大，以便將時(shí)鐘和數據恢復并解復用,以及通過(guò)電接口輸出。光電檢測器要求一個(gè)自動(dòng)控制功率的偏置電路，以提供恒定的工作電壓,見(jiàn)圖1所示。同樣,在模塊發(fā)送端，時(shí)鐘和數據位的電信號經(jīng)過(guò)同步、鎖存后，被送至激光驅動(dòng)器。最后，激光驅動(dòng)器將信號以電流方式調制激光二極管，將電能轉變?yōu)楣狻?/P>

在采用激光二極管的設計中，采用一只光電檢測器監測激光二極管的輸出，而后，通過(guò)反饋環(huán)路，再將光信號回饋給電路，以測量激光管的實(shí)際輸出功率．這種反饋能夠穩定激光管輸出功率。但光反饋是這種設計中的一個(gè)缺陷。如今己采用一種新的激光技術(shù),即垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL),由于它只需極低的驅動(dòng)電流而通常不需要光電檢測器。

值此要說(shuō)明的是,激光驅動(dòng)器必須做兩件事情：首先它必須保持一個(gè)恒定的DC偏置，以設定激光器的工作點(diǎn)；另外它還必須提供—個(gè)調制電流來(lái)承載信號。隨著(zhù)制造商努力增加收發(fā)器的信號吞吐率，激光源的工作常數必須檢仔細地加以規范，以更好地控制光輸出。

關(guān)于激光二極管和VCSEL(垂直腔體表面發(fā)射激光器)

Fabu-Perot類(lèi)型的激光二極管從芯片狹窄的邊沿發(fā)出相干光線(xiàn),且反射鏡處于邊緣或安裝在芯片的外部。不管怎樣，對于未來(lái)的通信工業(yè)，更有前途的激光源是VCSEL。就如同其名稱(chēng)所述，VCSEL從位于芯片頂端(未來(lái)可能采用底部)的一個(gè)直徑5至25微米的圓形腔體上垂直地發(fā)出激光光柱。反射鏡排列在腔體的兩端稱(chēng)為“分布式布喇格反射器”。將來(lái),采用多元VCSEL陣列的并行光互連將達到兆兆字節的吞吐率。

目前各研究機構正在開(kāi)發(fā)更普及應用的VCSEL設計。與邊沿發(fā)射器相比，VCSEL需要的電流更小,具有更低的發(fā)射激光門(mén)限(1mA或2mA對比30mA)。在這種情況下，簡(jiǎn)單的電流控制通常就足以滿(mǎn)足要求，而無(wú)需光電檢測器監測輸出。VCSEL發(fā)射孔徑相當大，這就意味著(zhù)輸出光柱的散射角(發(fā)散程度)相當小，當然，這也存在生產(chǎn)和加工方面的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，VCSEL的片芯更小,從而允許更多的VCSEL安排到同一個(gè)晶片上；其次，處于整個(gè)晶片上的所有VCSEL能夠立即得到測試；最后，VCSEL在工作中比激光二極管更為牢靠，具有更長(cháng)的壽命和更低的失效率。

無(wú)淪是激光二極管還是VCSEL，在任何一個(gè)光收發(fā)器中的激光發(fā)射器都是半導體，其光電效應都依賴(lài)于電流、電壓和阻抗的相互作用，下列的一些因素都會(huì )影響到安全性和性能：

．激光輸出對溫度過(guò)于敏感；

．激光輸出功率隨著(zhù)激光的壽命而變化，并且溫度的升高將加快老化；

．由于VCSEL比激光二極管工作時(shí)的電流和濕度都要低，因此，其故障率也成比例地降低；

．激光發(fā)射器需要保護，以防止功率的隨機跳變以及電源上電和斷電過(guò)程的跳變帶來(lái)的破壞；

．盡管人類(lèi)看不見(jiàn)激光器的近紅外光，但是，進(jìn)入眼睛內的光柱還是會(huì )聚焦在視網(wǎng)模上,此種能夠引起永久性的傷害，再加上激光器功能,這二者均對人體安全均存在著(zhù)嚴重的潛在影響，為此要求激光功率輸出必須限制在幾百毫瓦以?xún)取?/P>

控制VCSEL和激光二極管中的激光電流不僅僅是安全問(wèn)題，還有性能上的考慮。同半導體的表現一致，VCSEL的最大輸出功率隨著(zhù)溫度的降低而線(xiàn)性地增加，輸出的波長(cháng)隨著(zhù)溫度的增加而增加?？偠灾?隨溫度變化而控制電流在保證性能方面是非常重要的。

對光收發(fā)模塊及其相關(guān)技術(shù)提出新的要求及實(shí)現

對光收發(fā)模塊及其相關(guān)技術(shù)提出新的要求

．由帶寬的巨大需求引導出光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展；光網(wǎng)絡(luò )采用光收發(fā)模塊，將光信號轉換為電信號；

．收發(fā)模塊的制造商不斷降低幾何尺寸，提高信號吞吐率至數吉比特每秒；

．收發(fā)模塊采用光電二極管接收光信號,采用激光二極管或VCSEL發(fā)送光信號；

．隨著(zhù)數據速率持續增長(cháng)，光收發(fā)模塊的有源光電元件需要更為精密、更為可靠的功率控制，以阻止激光故障,延長(cháng)壽命期限并且工作應在期望的輸出參數內。

實(shí)現與達到上述的要求-數字控制可變電阻的應用

這最終將轉向Dallas Semiconductor的可變電阻。要控制流過(guò)激光二極管和VCSEL的電流，從而控制功率輸出的方法是通過(guò)控制電阻來(lái)實(shí)現的。之前,在相當有一段時(shí)間內，技術(shù)人員專(zhuān)職于手動(dòng)調節“校準電位器”,以試圖得到一個(gè)好的“眼圖”,但效果不佳。而這種控制和調校問(wèn)題的更好解決方法應該是采用一個(gè)電可編程的器件-新型數字控制的可變電阻和電位器，因為它能夠響應溫度的變化。為此,下面要著(zhù)重分析新型數字控制的可變電阻和電位器與應用。

新型數字控制的可變電阻開(kāi)發(fā)與應用勢在必行

雖然不是一個(gè)嚴格意義上的通信公司，但在一些相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，Dallas SemicGnductor公司仍可發(fā)揮其專(zhuān)長(cháng)：數字控制的可變電阻和電位器、EEPROM、溫度傳感器和超低功耗的CMOS工藝。順應了千兆位光技術(shù)的需求，Dallas公司已經(jīng)生產(chǎn)了一系列產(chǎn)品，并帶有一些新的特性。

DSl845是帶有EEPROM的雙電位器，它是半導體業(yè)內第一款內置存儲器的電位器，尤其適合應用了可插拔于兆位收發(fā)端模塊中，DSl845將兩個(gè)線(xiàn)性抽頭的電位器和256字節的EEPROM結合在一起，其中后者EEPROM是MSA標準所需的。而較高分辨率的256級電位器能夠用于控制調制電流，而100級的電位器用于控制偏置電流。用戶(hù)能夠配置兩個(gè)輸出,并存儲抽頭位置以及產(chǎn)品系列ID號在片內的非易失性EEPROM存儲器中，以作為工作過(guò)程中的參考信息。

對于那些要縮小為SFP封裝的模塊,可通過(guò)采用更高密度集成的元件(包括存儲器和兩個(gè)獨立可配置的電位器)來(lái)取代多個(gè)元件，從而減小空間。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，DSl845的2線(xiàn)接口能夠滿(mǎn)足收發(fā)器制造商的在線(xiàn)編程要求，并且兼容現有的2線(xiàn)EEPROM。

為了滿(mǎn)足更多的特殊要求，Dallas公司還開(kāi)發(fā)了DSl846，在一個(gè)縮小的TSSOP(簿型小外形封裝)內集成了3個(gè)線(xiàn)性遞變的電位器、非易失性存儲器和一個(gè)CPU監控電路，在一個(gè)如此小的芯片內,這種級別的集成節省了板面,減少了成本,縮短了供貨期,加快了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。對于DSl845，其非易失性存儲器器來(lái)配置和存儲特殊應用的校準數據，以及控制每個(gè)電位器的柚頭位置，另外，還備有用戶(hù)特殊數據的存儲空間。

DSl846的片內微監測器檢測電壓放變化，一旦檢測到超出電壓容差范圍，微監測器立即復位,并保持復位狀態(tài)，直至回到安全的工作條件為止。微監測器能夠設定為幾個(gè)電壓復位門(mén)限，還包括一個(gè)手動(dòng)復位。而第三個(gè)電位器可用于監視其它變量，或用來(lái)對另外兩個(gè)電阻之一進(jìn)行粗調。

具有集成溫度補償的數字可變電阻的DSl847和DSl848旨在用于日益膨脹的激光應用，它們能夠在整個(gè)溫度范圍內補償激光器的溫度特性,其內部結構組成見(jiàn)圖2所示。

DSl848包含額外的、128字節的通用(用戶(hù))EEPROM；除此之外兩者是相似的。它們在片內的查尋表(LUT)內存儲對應于溫度的阻抗特征值，集成的溫度傳感器在激光器工作期間不斷地測量和報告溫度值，DSl847或DSl848則將溫度讀數與LUT表內的值進(jìn)行比較，再按照設計者定義的阻抗特征調整阻抗。溫度傳感器輸出的溫度也存儲在EEPROM中(每l0ms更新一次)，也可以通過(guò)2線(xiàn)總線(xiàn)提供給用戶(hù)。也就是說(shuō),為了對一給定系統的溫度變化的溫度變化進(jìn)行補償，設計人員可以在整個(gè)溫度范圍內以2℃為間隔確定所期望的電阻值，井將數據存儲在芯片的EEPROM查詢(xún)表內。工作期間，器件會(huì )測量溫度。井據此讀取EEPROM查詢(xún)表，并自動(dòng)調節電阻。利用這種方案，DSl847/DS1848能夠在溫度變化叫自動(dòng)調節系統參數，使系統工作在最佳狀態(tài)。

還應該說(shuō)明的是，DSl847和DSl848是自動(dòng)工作的。當檢測到溫度發(fā)生變化時(shí),控制電路自動(dòng)地調整阻抗,以實(shí)現電流的補償,而無(wú)須用戶(hù)干預。圖2中A0、A1、A2地址線(xiàn)是地址選擇引腳允許在串行總線(xiàn)上連接最多8個(gè)器件。 14引腳的DSl847/DS1848封裝形式(TSSOP)見(jiàn)圖2右側。

所有的Dallas電路都采用低功耗CMOS技術(shù)，有助于保持在一個(gè)較低的功率預算。所有電路工作于整個(gè)工業(yè)級溫度范圍，以及3V和5.5V兩種電源。

結束語(yǔ)

由上分析,在寬帶需求愈來(lái)愈高的今天,光網(wǎng)絡(luò )通信是最好的途徑,而光網(wǎng)絡(luò )通信的實(shí)現必需要用光收發(fā)模塊,然而基于激光技術(shù)的光收發(fā)模塊的安全和性能保證是要由更深層次的數字控制的DSl84x系列可變電阻和電位器來(lái)調節校準參數作為支撐。當然這一切光網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)均屬于激光新技術(shù)中的明星。

從而也可看出,激光-新技術(shù)中的明星,其興旺發(fā)達在某種程度上需要依賴(lài)于新型數字控制的DSl84x系列可變電阻和電位器，“而不再需要古老的電阻”。

顯然，象通信網(wǎng)絡(luò )這樣的一個(gè)巨大、復雜、發(fā)展、強勁的市場(chǎng)，不同的對手應工作于不同的級別。